Weiche pneumatische Aktuatorenfascikel für hohe Kraft und Zuverlässigkeit

Weiche pneumatische Aktuatoren (SPAs) finden sich in mobilen Robotern, unterstützenden tragbaren Geräten und rehabilitativen Technologien. Während weiche Aktuatoren eines der entscheidenden Elemente der Technologie sind, die die Entwicklung des Soft-Robotics-Bereichs vorantreiben, erfüllen sie nicht die Anforderungen an die Kraftausgabe und Bandbreite für viele Aufgaben. Darüber hinaus bleiben weitere allgemeine Probleme ungelöst, einschließlich Robustheit, Kontrollierbarkeit und Wiederholbarkeit. Die hier präsentierte SPA-Pack-Architektur zielt darauf ab, diese für das Feld der weichen Robotik entscheidenden Zuverlässigkeitsstandards zu erfüllen, während gleichzeitig die grundlegenden Leistungsfähigkeiten von SPAs verbessert werden, indem Vorteile genutzt werden, die in der Biologie verbreitet sind; nämlich die strukturierte parallele Anordnung von Aktuatoren mit niedrigerer Leistung, um die Grundlage für ein größeres und leistungsstärkeres Aktuatormodul zu bilden. Ein SPA-Pack-Modul, das aus einer Anzahl kleinerer SPAs besteht, wird mithilfe eines analytischen Modells und eines physischen Prototyps untersucht. Experimentelle Messungen zeigen, dass ein SPA-Pack über 112 N lineare Kraft erzeugt, während das Modell den Vorteil der parallelen Aktuatorgruppierung gegenüber einer geometrisch äquivalenten einzelnen SPA als eine zunehmende Funktion der Anzahl einzelner Aktuatoren in der Gruppe anzeigt. Für ein Modul mit vier Aktuatoren wird ein Anstieg der Kraftproduktion um 23 % gegenüber einer volumetrisch äquivalenten einzelnen SPA vorhergesagt und validiert, während weitere Gewinne von bis zu 50 % möglich erscheinen. Diese Erkenntnisse bekräftigen den Vorteil der Nutzung einer Fascikelstruktur für leistungsstarke Weichrobotikanwendungen im Vergleich zu bestehenden monolithischen SPA-Designs. Ein Beispiel für eine leistungsstarke Soft-Roboter-Plattform wird präsentiert, um die Fähigkeit von SPA-Pack-Modulen in einem vollständigen und funktionalen System zu demonstrieren.